Sistemas fv

Octubre 2004 • SOL/DT-002-04

Conversión de la Luz Solar en
Energía Eléctrica

Manual Teórico y Práctico sobre
los Sistemas Fotovoltaicos

Ing. Hector L. Gasquet

Solartronic, S.A. de C.V.
Av. Morelos Sur No. 90
62070 Col. Chipitlán
Cuernavaca, Morelos, México
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NOTICIA

Este documento se ofrece por El Paso Solar Energy Association. De acuerdo a ésta, el autor Ing. Héctor L.
Gasquet ha renunciado a sus derechos de autor. Solartronic, S.A. de C.V. ha reproducido este documento
para que los lectores interesados puedan educarse en el tema. Ni Solartronic, S.A. de C.V., ni tampoco
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PREFACIO

El capítulo 13 hace hincapié en el régimen de mantenimiento del sistema instalado, describiendo
en detalle el instrumental básico requerido.
A continuación se enumera el contenido de los capítulos y apéndices que forman esta publicación.

Capítulo 1 Introduce las nociones básicas y la terminología relacionadas con la radiación de
la energía solar.
Capítulo 2 Presenta el diagrama en bloques de un sistema fotovoltaico para uso doméstico.
Capítulos 3-8 Analiza cada bloque en detalle.
Capítulo 9 Describe los componentes del sistema FV no cubiertos en los capítulos
precedentes.
Capítulo 10 Detalla los pasos de diseño de un sistema FV con cargas de CC.
Capítulo 11 Detalla los pasos de diseño de un sistema FV con cargas de CC y CA.
Capítulo 12 Proporciona una guía para la instalación de un sistema FV.
Capítulo 13 Proporciona una guía para el mantenimiento de un sistema FV.

Apéndice I Proporciona los conocimientos básicos para entender los circuitos de CC y de
CA. Describe los diodos y se reveen los conceptos básicos sobre porcentajes y su
aplicación a los errores de redondeo de cantidades.
Apéndice II Proporciona tablas para conversión de unidades inglesas al sistema métrico
(y viceversa)
Apéndice III Explica cómo puede conseguirse la información más reciente sobre fabricantes y
distribuidores de componentes para estos sistemas.

Ing. Héctor L. Gasquet
El Paso, Texas

INTRODUCCION
Cuando pensamos en la energía solar, dos manifestaciones de ésta, luz y calor, son fácilmente
reconocidas. Ambas juegan un papel vital en la vida de nuestro planeta. La luz solar hace posible el
proceso de fotosíntesis, sin el cual el reino vegetal y animal desaparecerían. El calor tempera el clima y
evapora las aguas del mar, las que, libres del contenido salino, son devueltas al planeta en forma de
lluvia. Seres humanos, animales y plantas deben su existencia a este simple mecanismo de purificación.
Varias de las civilizaciones antiguas, concientes de esta dependencia, convirtieron al sol en una deidad
digna de veneración.

Otras manifestaciones de la energía solar no son tan obvias. La energía eólica es un ejemplo. El
viento es el resultado del movimiento de masas de aire causados por la rotación de la Tierra, diferencias
térmicas en la atmósfera y la diferente absorción térmica entre los mares y los continentes.

La radiación solar puede ser transformada directamente en energía eléctrica. A este fenómeno se
lo denomina efecto fotovoltaico. A mediados del siglo XIX (1839) el físico francés Becquerel descubrió
el efecto fotovoltaico (FV). Varios físicos, como Willbughby Smith (1873) y Lenard (1900) verifican su
existencia bajo diversas condiciones. Einsten (1905) proporciona la base teórica del fenómeno, ganando
el premio Nobel de física. Millikan (1920), un físico norteamericano, corrobora la teoría de Einsten. Sin
embargo, la aplicación práctica de esta conversión de energía no comenzó hasta 1954, cuando se necesitó
una fuente generadora de energía eléctrica que pudiere alimentar los circuitos eléctricos de los satélites
espaciales, sin recurrir al uso de combustibles y con una vida útil de larguísima duración.

Las primeras aplicaciones terrestes del fenómeno FV comienzan en 1972. Desde esa fecha, una
sucesión de nuevos procesos industriales, junto con la expansión del mercado de consumo, permitieron
una drástica reducción del costo inicial de los paneles generadores (más de 100 veces desde su debut
espacial). A pesar de ello el uso extensivo de los sistemas FVs en lugares del planeta que carecen de
electricidad no ha alcanzado el nivel requerido. En el presente se estima que millones de seres humanos
carecen de electricidad en el planeta. Considero que que existen tres factores que contribuyen a retardar
su difusión: bajos ingresos, falta de crédito y carencia de conocimientos tecnológicos por parte de los
presuntos consumidores.

La ausencia de crédito, combinada con el bajo poder adquisitivo de este sector de la población,
así como la imposición de aranceles aduaneros a los componentes importados, hace que sistemas básicos
(uno a dos paneles), resulten prohibitivos. Cuando la parte financiera es resuelta con el otorgamiento de
crédito a largo plazo y bajo interés, la instalación de estos sistemas alcanza un alto grado de demanda. Es
importante que las autoridades en los países subdesarrollados reconozcan que el otorgamiento de estos
créditos representa la solución más económica para extender el sistema eléctrico, en particular cuando
se tienen poblaciones aisladas unas de otras, con un bajo consumo familiar.

La solución convencional (construcción de usinas generadoras y redes de distribución) no sólo
representa una mayor inversión, pero puede que no sea redituable.

Deberá tenerse en cuenta que el uso de sistemas FVs no representa una solución económica
cuando se pretende suplantar los servicios de la red eléctrica local, ya que la inversión inicial de un
sistema equivalente es muy elevada.

Si bien es cierto que los sistemas FVs no son una panacea, sin duda alguna representan la solución
más efectiva en lugares remotos. La instalación de sistemas FVs domiciliarios o comunales, construídos
en poblaciones rurales, permiten un enorme incremento del estandard de vida de la población. La
generación de energía eléctrica hace posible mejorar las condiciones sanitarias de una comunidad,
permitiendo el bombeo de agua potable y el uso de refrigeradores para preservar alimentos perecederos
y medicinas que necesitan de la refrigeración para evitar su descomposición. Este libro pretende hacer
una contribución para reducir la incidencia negativa del tercer factor: la falta de conocimientos técnicos
sobre el tema.

Agradezco el apoyo que me han brindado las compañías cuyas ilustraciones forman parte de esta
publicación, así como el de las personas cuyos comentarios me ayudaron a la organización o corrección
de algunos de los capítulos.

La mención de un producto en este libro no implica un endorso implícito del mismo por
parte del autor.

Ing. Héctor L. Gasquet
El Paso, Texas

CAPITULO 1
LA RADIACION
SOLAR
ESPECTRO La luz, sea ésta de origen solar, o generada por un foco incandescente o fluorescente,
LUMINOSO está formada por un conjunto de radiaciones electromagnéticas de muy alta frecuencia,
que están agrupadas dentro de un cierto rango, llamado espectro luminoso. Las ondas
de baja frecuencia del espectro solar (infrarojo) proporcionan calor, las de alta frecuencia
(ultravioleta) hacen posible el proceso de fotosíntesis o el bronceado de la piel. Entre
esos dos extremos están las frecuencias que forman la parte visible de la luz solar. La
intensidad de la radiación luminosa varía con la frecuencia. La Fig 1.1 muestra, en
forma no detallada, la composición del espectro luminoso.

Nivel de Radiación

Espectro
Visible

Frec.

Infrarojo Rojo Viol. Ultraviol.

Fig 1.1- Espectro Luminoso de la Luz Solar

El “color” de la luz solar depende de la composición del espectro de frecuencias. Los
fabricantes de focos luminosos, concientes de este fenómeno, tratan de dar a éstos un
espectro de radiación luminosa similar al de la luz solar que llega a la Tierra cuando el
sol alcanza la posición del zenith (luz blanca). La intensidad y frecuencias del espectro
luminoso generado por el sol sufre alteraciones cuando la luz atraviesa la atmósfera.
Ello se debe a la absorción, reflección y dispersión que toma lugar dentro de ésta. Los
gases presentes en la capa atmosférica actúan como filtros para ciertas frecuencias,
las que ven disminuídas su intensidad o son absorbidas totalmente. El proceso
fotovoltaico responde a un limitado rango de frecuencias dentro del espectro vis-
ible, de manera que es importante definir el espectro de radiación de la fuente luminosa
que se utiliza para evaluar la celda fotovoltaica. Esto se hace especificando un parámetro
denominado Masa de Aire.

MASA La posición relativa del sol respecto a la horizontal del lugar determina el valor de la
DE AIRE masa de aire. Cuando los rayos solares caen formando un ángulo de 90° respecto a la
horizontal, se dice que el sol ha alcanzado su zenit.

1

CAPITULO 1- LA RADIACION SOLAR

Para esta posición la radiación directa del sol atraviesa una distancia mínima a través
de la atmósfera. Cuando el sol está más cercano al horizonte, esta distancia se
incrementa, es decir, la “masa de aire” es mayor. La Fig. 1.2 ilustra esta situación.

Zenit

Masa
de

Aire=1

(M1)

Horizontal

Fig. 1.2- Masa de Aire

A la posición del zenit se le asigna una masa de aire igual a 1 (M1). Cualquier otra
distancia tendrá una masa de aire que puede calcularse usando la expresión:

Masa de Aire = 1 / cosα

donde α es el ángulo formado entre la posición de zenit y la posición del sol en ese
momento, y cosα es el valor del coseno de ese ángulo, el que varía entre 1 y 0 cuando
el ángulo varía entre 0 y 90°. Para valores de α mayores que cero, el valor del cosα es
siempre menor que la unidad, de manera que el valor de la masa de aire se incrementa.
Valores para la masa de aire mayores que la unidad indican que la radiación directa
debe atravesar una distancia mayor dentro de la atmósfera. El ángulo de inclinación
respecto a la posición del zenit (vertical) puede ser calculado de la expresión anterior.
Se deduce así que una masa de aire de valor 1,5 corresponde a un ángulo α de unos
48°. Algunos autores asignan, arbitrariamente, el valor M=0 para el espectro luminoso
fuera de la atmósfera. Este valor carece de sentido matemático.

VARIACION Al incrementarse la distancia, la absorción, reflección y dispersión de la luz solar
DEL también se incrementan, cambiando el rango de frecuencias que integran el espectro
ESPECTRO luminoso, así como la intensidad del mismo. Esto explica las variaciones de intensidad
LUMINOSO y color de la luz solar durante la salida y puesta del sol. La fuente luminosa usada para
medir la potencia de salida de un panel FV tiene un espectro luminoso correspondiente
a una masa de 1,5 (M1,5), el que ha sido adoptado como estandard. La intensidad es
muy cercana a 1KW/m2.

INSOLACION La cantidad total de radiación solar (directa y reflejada) que se recibe en un punto
determinado del planeta, sobre una superficie de 1 m2, para un determinado ángulo de
inclinación entre la superficie colectora y la horizontal del lugar, recibe el nombre de
insolación. El término deriva de la palabra inglesa insolation, la que, a su vez, representa
un acronismo derivado de otras tres palabras del mismo idioma: incident solar radia-
tion (radiación solar incidente).

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El valor de la insolación en una dada locación debe reflejar el valor promedio de la
misma. Para obtenerlo, se necesita tener en cuenta las variaciones cíclicas estacionales,
conduciendo mediciones de la radiacón solar diaria durante 10 ó más años. En los
Estados Unidos de Norteamérica, esta tarea es llevada a cabo por el National Renew-
able Energy Laboratory (NREL) con sede en Golden, Colorado, desde 1961. Las
mediciones de insolación diaria se toman usando colectores fijos, con distintos ángulos
de inclinación con respecto a la horizontal, así como colectores móviles (los que siguen
la trayectoria del sol automáticamente). El Centro de Estudios para la Energía Solar
(Censolar) publica datos para la insolación media, en un plano horizontal, para una
multitud de países en el mundo.

UNIDADES Se usan diferentes unidades para expresar el valor de la insolación de un lugar. La más
DE MEDIDA conveniente para nuestra aplicación es el Kilowat.hora por metro cuadrado (KWh/
m2), o su valor equivalente en miliwat.hora por centímetro cuadrado (mWh/cm2). Si
la energía del sol se utilizare para calentar agua, resulta más conveniente usar como
unidad las calorías por metro cuadrado (Cal/m2) o los Btu/f2 (British thermal units
por pié cuadrado ). La reducción de una cantidad a la otra puede hacerse recordando
que 1KWh/m2= 860 Cal/m2 = 317.02 Btu/f2.

VARIACION Si la superficie colectora mantiene un ángulo de inclinación fijo, el valor de la insolación
DE LA en una dada locación depende de las condiciones atmosféricas y la posición del sol
INSOLACION respecto del horizonte. La presencia de nubes incrementa la absorción, reflección y
dispersión de la radiación solar. Las zonas desérticas, dada la carencia de nubes, tienen
los mayores valores de insolación en el planeta. La posición del sol respecto a la
horizontal cambia durante el día y con las estaciones. El valor de la insolación al
amanecer y al atardecer, así como en el invierno, es menor que el del mediodía o el
verano.

IRRADIACION: Irradiación es el valor de la potencia luminosa. Los fabricantes de paneles fotovoltaicos
EL SOL (FVs) determinan la máxima potencia eléctrica de salida usando una fuente con una
potencia luminosa de 1 KW/m2. Este valor, conocido con el nombre de SOL, se ha
convertido en un estandard para la industria, facilitando la comparación de paneles de
distintos orígenes. Recordando que 1 m2 = 10.000 cm2, y que 1 KW = 1.000 W, se
tiene que:
1 SOL = 1 KW/m2 = 100 milliwatts/cm2

Las dos cantidades son usadas, indistintamente, en las especificaciones de paneles
FVs.
DIA SOLAR El valor de la irradiación varía al variar la masa de aire, la que cambia constantemente
PROMEDIO desde el amanecer al anochecer. Para simplificar el cálculo de la energía eléctrica
generada diariamente por un panel FV, se acostumbra a definir el día solar promedio.
Este valor es el número de horas, del total de horas entre el amanecer y el anochecer,
durante el cual el sol irradia con una potencia luminosa de 1 SOL. Supongamos, como
ejemplo, que el promedio de insolación diaria en una locación es de 5 KWh/m2. Si
este valor es dividido por un SOL, se obtiene el valor (en horas) del día solar promedio
para esa locación y esa inclinación.

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En nuestro ejemplo:

5 KWh/m2
DIA SOLAR = ———— = 5 horas
1 KW/m2

Recordando que los paneles son evaluados usando una intensidad luminosa de un
SOL, la duración del día solar promedio representa la cantidad de horas, del total
de horas de luz diaria, en que el panel es capaz de generar la potencia máxima de
salida especificada por el fabricante.

PRESENTACION El NREL publica, en forma periódica, los valores de insolación promedio, para una
DE LOS DATOS dada locación, usando colectores fijos con cinco ángulos de inclinación: horizontal:
(0°), latitud del lugar menos 15°, latitud, latitud más 15°, y vertical (90°). Estos datos
son complementados con mediciones tomadas usando superficies colectoras móviles,
las que son montadas en aparatos que, automáticamente, siguen la trayectoria del sol.
Este último tema será tratado en detalle en el Capítulo 8. La información mensual
proporciona, además, los valores de insolación máxima y mínima registrados para ese
período.

Complementando los datos de insolación, se tienen datos metereológicos de la máxima
y mínima temperatura, porciento de humedad relativa, y velocidad promedia del viento
para la locación. Un dato importante, el de los días consecutivos promedio sin sol, no
forma parte de la información, a pesar de su importancia en la determinación de la
reserva de energía (banco de baterías), como veremos más adelante.

El ángulo de inclinación de la superficie colectora es el que ésta forma con la horizon-
tal, tal como lo ilustra la Figura 1.3

Superficie

Colectora

Angulo de

Inclinación

Horizontal

Fig.1.3- Angulo de Inclinación

Con las estaciones, la altura del sol respecto a la horizontal cambia al alcanzar el zenit.
La diferencia de altura respecto a la horizontal varía con la latitud del lugar. Para las
locaciones donde el cambio de altura es apreciable, la variación del ángulo de inclinación
permite que los rayos solares incidan casi perpendicularmente sobre la superficie
colectora durante todo el año, lo que incrementa el nivel de energía que puede ser
transformada.

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El ángulo deberá incrementarse cuando la altura del sol sobre el zenit es la menor. En
estas locaciones, la duración del día solar promedio, para una misma estación, varía
en función del ángulo de inclinación.

LATITUD Una forma universal de presentar los valores de insolación es usar, como referencia,
LATITUD +15° un ángulo de inclinación para la superficie colectora que es igual al de la latitud del
LATITUD - 15° lugar. Los valores así obtenidos son complementados con mediciones hechas con
ángulos de inclinación que varían +/-15° respecto al valor de referencia.

RADIACION Las Figuras 1.4 a 1.15 muestran los valores promedios para la radiación solar en el
SOLAR continente americano, durante un año, para tres ángulos de inclinación de los paneles
EN LAS respecto a la horizontal del lugar: latitud, latitud más 15° y latitud menos 15°. Estas
AMERICAS cantidades representan, asimismo, la duración (en horas) del día solar promedio.
En estos mapas se usa un punto, en lugar de la coma, para separar la cantidad decimal
(notación típica de los EEUU de América).

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Fig. 1.4- DURACION DEL DIA SOLAR
Inclinación: LATITUD
Norte del Ecuador: Primavera
Sur del Ecuador: Otoño

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Inclinación: LATITUD + 15°

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Inclinación: LATITUD - 15°

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Norte del Ecuador: Verano
Sur del Ecuador: Invierno

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Norte del Ecuador: Otoño
Sur del Ecuador: Primavera

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Norte del Ecuador: Invierno
Sur del Ecuador: Verano

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Inclinación: LATITUD +15°

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Inclinación: LATITUD -15°

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CAPITULO 2
SISTEMA FV
BASICO
SISTEMA FV: Un sistema FV consiste en la integración de varios componentes, cada uno de ellos
LA CARGA cumpliendo con una o más funciones específicas, a fin de que éste pueda suplir la
ELECTRICA demanda de energía eléctrica impuesta por el tipo de carga, usando como combus-
tible la energía solar. La definición anterior deja claramente establecido que la carga
eléctrica determina el tipo de componentes que deberán utilizarse en el sistema. La
completa definición de la carga debe tener en cuenta tres características que la definen:
el tipo, el valor energético y el régimen de uso.

TIPOS DE Existen tres tipos de cargas: CC, CA, y mixta (CC y CA). Cuando la carga tiene
CARGA aparatos de CA, se necesitará incorporar al sistema un inversor. Este componente
transforma el voltaje de CC proporcionado por los paneles en un voltaje de CA. Las
pérdidas de energía en estos sistemas es mayor que la de los de CC (Capítulo 13).

VALOR El valor energético representa el total de energía que consumirá la carga dentro de un
ENERGETICO período determinado, generalmente un día. Para sistemas pequeños este valor estará
dado en Wh/día. Para sistemas de mayor consumo en KWh/día.

REGIMEN El régimen de uso responde a dos características: cuándo se usa la energía generada y
DE USO la rapidez de su uso. Dependiendo de cuándo se usa la energía, se tendrá un régimen
diurno, nocturno o mixto. La rapidez del consumo (energía por unidad de tiempo),
determina el valor de la potencia máxima requerida por la carga.

REGIMEN Para comprender estos conceptos daremos algunos ejemplos. Si el régimen de uso es
NOCTURNO exclusivamente nocturno, el sistema deberá almacenar energía durante el día. Esta
necesidad se traduce en la incorporación de un banco de baterías, del cual se extraerá
la energía demandada por la carga durante la noche. La presencia del banco de
acumulación fuerza el uso de un control de carga y otros elementos auxiliares, como
se verá a continuación.

REGIMEN Si el uso es exclusivamente diurno, como es común en equipos de bombeo, no se
DIURNO necesitará un banco de baterías. En este caso el sistema deberá ser capaz de entregar
la máxima potencia requerida por el motor eléctrico de la bomba. Sin embargo, a fin
de extender al máximo las horas de operación del bombeador, se introducen dos
componentes en el sistema: un seguidor automático en la sección colectora (Capítulo
9), el que alarga la duración del día solar promedio, y un componente especial que
permite el arranque del motor de bombeo a horas más tempranas, del lado de la carga
(Apéndice I).

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CAPITULO 2- SISTEMA FOTOVOLTAICO BASICO

REGIMEN Si el régimen de la carga es mixto (diurno y nocturno), parte de la energía a generarse
MIXTO deberá cargar el banco de baterías y el resto deberá satisfacer la carga diurna. Ello
implica que la parte generadora deberá satisfacer dos requisitos durante la duración
del día solar.

TRANSITORIOS Por último, en sistemas que deben alimentar motores eléctricos (heladeras, herramientas
eléctricas, motores de bombeo, etc), el régimen de carga no es constante, dado que el
arranque de motores eléctricos demanda mayor corriente que cuando éstos giran a
velocidad fija. Este pico de corriente (transitorio de arranque) debe ser contemplado
al seleccionar el fusible de protección y el cable que alimenta este tipo de carga.

COMIENZO El análisis detallado de la carga representa el primer paso en la secuencia de diseño, ya
DEL DISEÑO que deben conocerse los numerosos detalles que afectan el valor y el régimen de uso
de la energía del sistema en consideración. La mayor dificultad en el diseño es la
determinación correcta del valor energético a generarse y acumularse, si existe un
banco de baterías. Cuando estos valores son óptimos, el sistema resultante tendrá el
menor costo y el mayor grado de fiabilidad posibles.

SISTEMA FV La aplicación más común para un sistema FV es la generación de energía eléctrica
PARA USO para uso doméstico. Por ello analizaremos, a continuación, un sistema de este tipo,
DOMESTICO con régimen nocturno o mixto. El análisis, por el momento, es sólo cualitativo, ya
que nuestro interés es el de identificar los diferentes bloques que forman parte de este
sistema. Usaremos como referencia el circuito de la Figura 2.0. En ella, cada bloque
funcional está separado por una línea transversal. Un bloque que no es obvio es el
Cableado de interconección, el que está distribuído en todo el sistema.
Generación Acumulación Monitoreo Carga
Fusible

Control de
Paneles Solares Carga Banco de Baterías Indicador de Carga Caja de Fusibles

Fig. 2.0- Sistema FV Básico para uso Doméstico

BLOQUE DE Los paneles FVs forman el bloque de Generación. El número de ellos depende de
GENERACION varios factores. Entre ellos, los más obvios, son la insolación del lugar, el valor
energético de la carga y la máxima potencia de salida por panel. Su acción es equivalente
al de un generador de CC alimentado por la luz solar. La mayor parte de la energía
eléctrica que generan es acumulada en las baterías. Decimos la mayor parte ya que es
imposible acumular toda la energía generada, debido a las pérdidas asociadas con el
proceso de carga (Capítulos 5 y 6). Es importante recordar que si los paneles
permanecen parcialmente sombreados durante una parte del día, su capacidad
generadora sufre sensiblemente, ya que la parte sombreada equivale a conectar un
alto valor de resistencia en serie con el generador.

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BLOQUE DE El bloque de Acumulación contiene tres componentes: el banco de baterías, el control
ACUMULACION de carga y el fusible de protección. El banco de acumulación usa, casi con exclusividad,
un tipo especial de batería llamada batería solar. Estas se ofrecen en versiones de 6 y
12V. El diagrama de la Figura 2.0 muestra dos baterías de 6V conectadas en serie, en
un sistema de 12V nominales. El control de carga cumple dos funciones: garantiza un
régimen de carga adecuado para las baterías, y evita la descarga de las mismas a través
de los paneles durante la noche, cuando el voltaje de salida es nulo. Su función es
análoga a la del sistema de carga de batería en un automotor. Si no se usare un control
el régimen de carga podría sobrecargar las baterías. Esta condición, como veremos al
tratar el tema, acorta la vida útil de las mismas. Muchos fabricantes de controles de
carga adicionan, en algunos modelos, funciones auxiliares dentro del producto. La
más común es la de monitoreo del proceso de carga. El fusible de baterías es incorporado
al sistema como un elemento de seguridad. Aún cuando el banco consista de una sola
unidad, un cortocircuito accidental entre los bornes de salida significa que la corriente
que circula por la batería alcanzará valores de miles de amperes, por varios segundos,
acelerando la reacción química y disipación de calor dentro de la misma. Los gases
generados no escapan en su totalidad, llegando a producir una violenta explosión.
Como las baterías utilizan electrolitos altamente corrosivos, las consecuencias pueden
ser trágicas. Cortocircuitos que no terminan en explosiones acortan la vida útil de las
baterías y pueden dañar la aislación de los cables de conección (excesivas pérdidas de
calor).

BLOQUE DE La inclusión de este bloque como parte del sistema básico ha sido hecha para demostrar
MONITOREO la importancia de saber, en cualquier momento, si las baterías poseen una carga
adecuada. El circuito de la Figura 2.0 muestra un medidor de estado de carga conectado
al banco de acumulación. Desde un punto de vista práctico la presencia de un
componente actuando como monitor del estado de carga puede no ser necesaria, pero
su función si lo es. De no tenerse un componente dedicado a monitorear el estado de
carga de las baterías, la ejecución del plan de mantenimiento constituye el mecanismo
que permitirá extender al máximo la vida útil del banco de acumulación (Capítulo 13).

BLOQUE DE El bloque denominado Carga representa los circuitos de entrada y dentro de la casa.
CARGA La caja de fusibles permite la separación de las áreas de consumo. Esto facilita la
desconección de una sección en caso de necesitarse reparar o ampliar esa parte del
circuito. Esta opción es muy ventajosa cuando esa sección sufre un cortocircuito, ya
que puede contarse con energía eléctrica en otra sección de la casa. Otra ventaja es
que la corriente de cortocircuito de un sector es siempre menor que la del total de la
carga. Esta división de la corriente de carga, como veremos al abordar los detalles de
diseño, abarata el costo de la instalación hogareña.

BLOQUE DE El bloque de Cableado (Capítulo 8) es considerado uno de los bloques básicos del
CABLEADO sistema porque el dimensionamiento del mismo tiene un rol muy importante en la
reducción de pérdidas de energía en el sistema. Deberá recordarse que para un mismo
nivel de consumo, la corriente es mayor si el sistema es de bajo voltaje. Un mayor
amperaje significa un incremento de las pérdidas de voltaje y disipación (Apéndice I).

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La selección del conductor a usarse debe ser hecha teniendo en cuenta varios factores.
Los más importantes son: la capacidad del cable de manejar la corriente máxima que
debe circular por el mismo, el tipo de aislación, el tipo de conductor (sólido o multi-
alambre) y, por último, el material con que está hecho el conductor.

BALANCE El concepto fundamental de diseño de un sistema FV es el obtener un balance entre la
DEL energía generada y la consumida por la carga, más las pérdidas del sistema. Este
SISTEMA equilibrio deberá preservarse para la condición de trabajo más desfavorable que se
anticipe.

SISTEMAS Para cerrar este capítulo de introducción a los sistemas FVs considero necesario
FVs comentar sobre actitudes erróneas tomadas por aquellos que instalan pequeños sistemas
PEQUEÑOS (uno o dos paneles). Como estos sistemas son usados por personas de bajos recursos,
existe la tentación de considerar como redundantes algunos de los componentes
descriptos o substituír un componente por otro que no es el adecuado. Esta actitud
resulta en una falsa economía que se traduce en sistemas con altos costos de
mantenimiento y, en algunas circunstancias, peligrosos. Irónicamente, en un sistema
pequeño, debido a la falta de redundancia, el conocimiento del estado de carga de la
batería, así como la calidad de este componente, resultan ser más críticos que en un
sistema con mayor reserva. Desde el punto de vista de la seguridad, el cortocircuito
de una batería puede tener consecuencias desastrosas si ésta está ubicada dentro de la
zona habitacional, sin protección alguna. La mejor recomendación es tener en cuenta
las consecuencias asociadas con la supresión o substitución de un componente. Si
bien el costo del sistema es importante, deberá considerse asimismo el perjuicio
aparejado con la cancelación o substitución de componentes. Espero que este libro
sirva para desarrollar en el lector la capacidad necesaria para ejercer un sólido criterio
práctico.

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CAPITULO 3

LA CÉLULA
FOTOVOLTAICA
FOTOVOLTAICO La palabra fotovoltaico(a) está formada por la combinación de dos palabras de origen
griego: foto, que significa luz, y voltaico que significa eléctrico. El nombre resume la
acción de estas células: transfomar, directamente, la energía luminosa en energía
eléctrica.
CONDUCTORES
AISLADORES Para que el lector tenga un conocimiento conceptual del fenómeno FV introduciremos
Y el concepto de material semiconductor y juntura N-P. Comenzaremos estableciendo
SEMI- que un material conductor, como el cobre o el aluminio, permite el fácil paso de una
CONDUCTORES corriente eléctrica porque tiene un gran número de cargas libres dentro del mismo. Un
material es un no-conductor (aislador), como el vidrio o el plástico, porque no tiene
cargas libres dentro de él. El silicio es el material más usado en la fabricación de
células solares. En su forma cristalina pura, es un semiconductor, con muy pocas
cargas libres dentro de él. Su resistividad es muy elevada. Usando un proceso llamado
de difusión se puede introducir pequeñas cantidades de otros elementos químicos, los
que permiten decrecer el valor inicial de la resistividad, creando, al mismo tiempo,
zonas con diferentes tipos de carga. La célula FV utiliza dos tipos de materiales
semiconductores, el tipo N y el tipo P.

TIPO N Cuando la substancia difusa cede fácilmente electrones, se crea una zona dentro del
semiconductor que tiene un exceso de cargas negativas (electrones). Esto es lo que
se conoce como semiconductor del tipo N (negativo).

TIPO P Cuando la substancia difusa atrapa electrones libres, los átomos que los pierden quedan
cargados positivamente. En esta zona predominan las cargas positivas (holes, en
inglés) obteniéndose un semiconductor del tipo P (positivo).

JUNTUTA N-P El proceso de difusión es continuo, permitiendo la formación, en el mismo material,
de dos zonas semiconductoras adjacentes, una del tipo N; la otra del tipo P. El espacio
que separa ambas zonas es la juntura de transición (junction, en inglés).

ESTADO DE La teoría muestra que las cargas mayoritarias en una zona se desplazan hacia la de
EQUILIBRIO baja densidad en la zona opuesta. El desplazamiento de las cargas negativas y positivas
deja a la zona de la juntura totalmente libre de cargas. Las zonas adjacentes a la
misma tienen concentraciones de carga minoritarias (cargas negativas en el lado P y
cargas positivas en el lado N). La acumulación de estas cargas a ambos lados de la
juntura crea una diferencia de voltaje que impide la continuación del desplazamiento

23

CAPITULO 3- LA CELDA FOTOVOLTAICA

inicial.
La corriente de desplazamiento se anula. Se dice entonces que la juntura N-P ha
alcanzado el estado de equilibrio, el que es ilustrado en la Fig. 3.0.

Juntura N-P

Cargas Cargas
Positivas Negativas

Semic.Tipo Semic.Tipo
N P
V
Dif. de
0 Voltaje

Fig. 3.0- Juntura N-P en Equilibrio
EL
FENOMENO Cuando la luz incide sobre un semiconductor de este tipo, el bombardeo de los fotones
FOTOVOLTAICO libera electrones de los átomos de silicio creando dos cargas libres, una positiva y
otra negativa. El equilibrio eléctrico de la juntura N-P se ve alterado por la presencia
de estas nuevas cargas libres. Si al semiconductor se le conectan dos cables (uno por
cada zona), se verifica la existencia de un voltaje entre los mismos. Si los terminales
de la célula FV son conectados a una carga eléctrica, circulará una corriente eléctrica
en el cicuito formado por la célula, los cables de connección y la carga externa. La
Figura 3.1 muestra este tipo de circuito. Sólo una parte del espectro luminoso puede
llevar a cabo la acción descripta. El material utilizado para fabricar el semiconductor
determina que parte del espectro luminoso es la óptima para provocar este
desequilibrio.

Fig. 3.1- Célula Fotovoltaica con Carga Eléctrica

VOLTAJE DE El voltaje de una célula FV es de corriente continua (CC). Por lo tanto, hay un lado
SALIDA que es positivo y otro negativo. Para células de silicio, este voltaje es de alrededor
de 0,5 V.

POTENCIA En un instante determinado, la potencia eléctrica proporcionada por la célula FV está
ELECTRICA dada por el producto de los valores instantáneos del voltaje y la corriente de salida.
DE SALIDA Este valor es afectado por el comportamiento intrínsico de un material semiconduc-
tor, como veremos en el capítulo próximo, por el nivel de irradiación luminosa, y el
método de fabricación de la célula.

24


La intensidad luminosa depende, como vimos al tratar la insolación, de los factores
metereológicos, locación, inclinación de la célula respecto a la horizontal, y las
variaciones estacionales en el lugar de utilización.

MATERIAL Las células FVs que se ofrecen en el mercado actual utilizan dos tipos de materiales
CRISTALINO semiconductores. Uno tiene una estructura cristalina uniforme, el otro una estructura
Y policristalina. El tipo cristalino requiere un elaborado proceso de manufactura, que
POLI- insume enormes cantidades de energía eléctrica, incrementando substancialmente el
CRISTALINO costo del material semiconductor. La versión policristalina se obtiene fundiendo el
material semiconductor, el que es vertido en moldes rectangulares. Su estructura
cristalina no es uniforme, de ahí el nombre de poli (muchos) y cristalino (cristales).
Los dos tipos pueden ser identificados a simple vista, ya que la estructura cristalina
provee una superficie de brillo uniforme, mientras que la policristalina muestra zonas
de brillo diferente. Las Figs. 3.2 y 3.3 muestran esta diferencia.

Fig. 3.2 Fig.3.3
Material Cristalino Material Policristalino

EFICIENCIA La eficiencia de conversión* es la relación entre la energía eléctrica generada y la
DE energía luminosa utilizada para obtenerla. Esta relación es dada en forma porcentual,
CONVERSION como se muestra a continuación:
Energía Generada
η % = ———————— x 100
Energía Incidente
El símbolo η es la letra griega nu, que es usualmente utilizada para expresar eficiencias.
En el presente, células FVs producidas en escala industrial tienen una eficiencia de
conversión que oscila entre un 9 y un 12 %. El valor teórico máximo para la eficiencia
de una célula FV que responde solamente a un rango reducido del espectro luminoso,
es de alrededor del 25 al 28%, dependiendo del material semiconductor. Las células
FVs que utilizan semiconductores cristalinos tienen una eficiencia mayor a las que
utilizan el semiconductor policristalino, debido a que las imperfecciones en la estructura
de este último disminuyen el número de pares de carga que quedan libres para conducir
la corriente. Las células FVs usadas en los satélites espaciales utilizan, exclusivamente,
semiconductores cristalinos, ya que el costo no es un factor en consideración.

*El autor define la eficiencia como una relación energética (en lugar de potencias) porque el proceso de
transformación depende de la duración del día solar (Energía = Potencia x Tiempo) 25


Cuando el uso espacial se convirtió en uso terrenal, los semiconductores policristalinos
permitieron una reducción substancial del costo de las células FVs. Los procesos de
fabricación que usan materiales semiconductores no-cristalinos (policristalinos o
amorfos) prometen ser la solución más económica en el futuro. La competencia entre
tecnologías genera nuevos métodos de fabricación a menores costos.

SUPERFICIE Esta es la parte del area total de la célula FV que interviene en el proceso de conversión.
ACTIVA En la actualidad, es común que la conección a uno de los materiales semiconductores
sea hecha usando diminutos trazos metálicos en la parte frontal (area expuesta al sol).
Este proceso resulta en una disminución del area activa de la célula. Algunas
realizaciones experimentales tienen el coneccionado a las zonas N y P del semicon-
ductor en la parte posterior de la célula. Este proceso de fabricación incrementa el
área activa de la célula, sin aumentar la superficie de la misma.

FORMA El método de fabricación determina, asimismo, la forma geométrica de la célula FV.
GEOMETRICA Las primeras versiones eran circulares. Versiones más recientes tienen forma cuadrada,
ya sea con vértices redondeados o a 90°. En el capítulo siguiente se explica porqué
esta configuración geométrica es más conveniente.

MATERIAL De no ser tratada, la superficie del material semiconductor que está expuesta a la luz
ANTI- incidente tiende a reflejar una porción de la misma, disminuyendo la cantidad de
REFLECTANTE energía luminosa que puede llegar al par semiconductor. Para evitar esta pérdida, el
fabricante deposita una finísima capa de material antireflectante.

MATERIAL Algunos paneles FVs no tienen células independientes conectadas entre sí, sino una
AMORFO estructura semiconductora que ha sido depositada, en forma continua, sobre una base
metálica laminar. Este proceso permite la fabricación de un panel FV flexible, el que
puede adaptarse a superficies que no son completamente planas. La superficie activa
de estos paneles no tiene una estructura cristalina, y por ello se la denomina amorfa
(a = sin; morfos = forma). La ausencia de una estructura cristalina aumenta la posibilidad
de que una carga libre sea atrapada, lo que se traduce en una menor eficiencia de
conversión. Recientemente la compañía United Solar Systems ha introducido un panel
de este tipo bajo el nombre Uni-Solar. Para compensar el bajo rendimiento de
conversión, este panel apila tres capas de material amorfo. Cada una de ellas re-
sponde a un distinto rango de frecuencias dentro del espectro visible de la luz solar.
El más profundo responde al rojo, el del medio al verde, y el de arriba al azul. Como
la eficiencia total sigue siendo más baja que la de un panel con células cristalinas o
policristalinas, la superficie activa requerida para obtener una determinada potencia
de salida es siempre mayor. Estos paneles adquieren rigidez mecánica mediante el
uso de una estructura "sandwich" de protección (Capítulo 4).

NOTA Una característica sumamente útil de estos paneles es su comportamiento a altas
temperaturas de trabajo. El Capítulo 4 transcribe los datos de evaluación efectuados
por la revista Home Power, la que muestra la inexistencia de una degradación en la
potencia de salida en este tipo de paneles.

26

CAPITULO 4
EL PANEL
FOTOVOLTAICO
EL PANEL A partir de este capítulo, cuando se hace referencia a una celda FV asumiremos que
FOTOVOLTAICO ésta usa al selenio como material semiconductor. Esta es la asunción más práctica,
dado que el selenio es el material de mayor uso en el mercado actual. El máximo
voltaje de salida de estas celdas es de alrededor de 0,5V. La superficie activa de las
celdas está diseñada para sostener una corriente de alrededor de 3,5A. Como el mínimo
voltaje usado en los sistemas FVs es de 12V nominales, para alcanzar este valor se
deben conectar varias celdas en serie. La estructura mecánica que contiene estas
celdas se denomina panel fotovoltaico. Las Figuras 4.1 y 4.2 muestran dos de estos
componentes.

Fig. 4.1- Panel FV Cristalino
(Cortesía de Siemens Solar Industries)

Fig. 4.2- Panel FV Policristalino
(Cortesía de Kyocera America, Inc.)

27

CAPITULO 4- EL PANEL FOTOVOLTAICO

VOLTAJE El número de celdas en un panel, y por lo tanto su voltaje de salida, depende de la
DE estructura cristalina del semiconductor usado. El fabricante, teniendo en cuenta este
SALIDA factor, así como el comportamiento anticipado para el caso más desfavorable, decide
en el número mínimo que garantiza la carga efectiva del banco de baterías. Puede
observarse que el panel de la Fig. 4.1 utiliza treinta y seis (36) celdas en serie, el de
la Fig. 4.2 cuarenta y cuatro (44).

FORMA Cuando la forma geométrica de las celdas es un cuadrado, la superficie del panel
GEOMETRICA será la mínima para un número dado de celdas, ya que el espacio entre ellas es
prácticamente nulo. Esto permite la realización de un panel de menor tamaño, lo que
abarata algo el costo del mismo y el de su transporte. Un panel de menor tamaño
minimiza la superficie requerida para satisfacer la carga del sistema, reduciendo la
superficie expuesta al viento. Los paneles modernos tienen celdas cuadradas (o con
esquinas redondeadas), los más antiguos tienen celdas circulares.

ENSAMBLADO Los detalles del ensamblado mecánico de un panel varía con cada fabricante. A pesar
MECANICO de ello existen puntos comunes para todas las realizaciones. Para protejer las celdas,
éstas son firmemente adheridas a una superficie de sostén. Esta, a vez, pasa a formar
una estructura “sandwich”, con dos capas plásticas de protección, una en la parte
superior (translúcida y con protección a los rayos ultra-violetas) y otra en la parte
inferior. El frente del panel (zona expuesta a la luz solar), tiene un vidrio templado
(resistente al impacto) que proteje a las celdas de los agentes metereológicos (lluvia,
granizo, nieve, polvo) y los golpes. El vidrio usado tiene un bajo contenido de plomo,
para no reducir la transmitividad de la luz a través del mismo. La parte posterior
tiene una capa dieléctrica (aisladora) y una cubierta de protección. Un marco de
aluminio sirve para dar rigidez mecánica al conjunto, facilitando a su vez el montaje
del panel al soporte. El marco exterior es de aluminio para evitar su deterioro por
oxidación. Varios agujeros, ubicados en distintas partes de su perímetro, hacen
innecesario el uso de máquinas de perforar, evitando el riesgo de dañar,
accidentalmente, el panel FV.

CONTACTOS En la parte trasera del panel se encuentran los contactos eléctricos. Las versiones
ELECTRICOS más modernas tienen una caja de plástico, con tapa removible y agujeros laterales
para la entrada y salida de los cables de conección. Tanto la tapa como los agujeros
laterales están diseñados para brindar protección ambiental y permitir un mejor
anclado mecánico para los cables de conección. Dentro de la caja se hallan dos bornes
de salida. El terminal positivo tiene el símbolo (+), o una marca de color rojo; el

POTENCIA negativo tiene el símbolo (-), o una marca de color negro.
DE La potencia máxima de salida de un panel FV es, sin duda alguna, la característica
SALIDA más importante del mismo. Salvo en casos de muy bajo consumo, la implementación
de un sistema FV requiere el uso de paneles con potencias de salidas de 30 o más
watts. Paneles con potencias por debajo de 30W no ofrecen una solución práctica, ya
que la diferencia en costo no es suficiente para justificar el mayor número de paneles
requeridos. Numerosas compañías ofrecen paneles con una potencia de salida en
exceso de 40 W, y recientemente, han aparecido paneles de 100W. Los datos técnicos

28


CURVAS I-V de tres paneles FVs forman parte de este capítulo.
Sil valores de potencia lum inosa y la orientación del panel
os permanecen constantes,
la corriente de salida de un panel F.V. varía con el valor del voltaje en la carga y su
temperatura de trabajo. Esto se debe a las características intrínsecas de los materiales
semiconductores. La Figura 4.3 muestra, en forma gráfica, la relación entre la corriente
y el voltaje de salida para un panel FV (curva I-V), para cuatro temperaturas de

trabajo, cuando el nivel de radiación permanece constante.
CURVAS I-V: Fig. 4.3- Relación I-V para un panel FV
ZONA DE Si bien se ha seleccionado un panel en particular para esta ilustración, los restantes
TRANSICION tienen un comportamiento similar, ya que utilizan celdas de silicio. Puede observarse
que el valor máximo para el voltaje de salida corresponde a un valor de corriente
nulo (voltaje a circuito abierto), mientras que el valor máximo para la corriente
corresponde a un voltaje de salida nulo (salida cortocircuitada). Todas las curvas
tienen una zona donde el valor de la corriente permanece prácticamente constante
para valores crecientes del voltaje de salida, hasta que alcanzan una zona de transición.
A partir de esta zona, pequeños aumentos en el voltaje de salida ocasionan bruscas
disminuciones en el valor de la corriente de salida. El comienzo de la zona de transición
se alcanza para menores valores del voltaje de salida cuando la temperatura de trabajo
se incrementa.
EFECTO
DE LA Tanto la corriente de cortocircuito como el voltaje a circuito abierto, se ven afectados
TEMPERATURA por la temperatura de trabajo, pero el tipo de variación, así como su magnitud
DE TRABAJO porcentual, son distintos para estos dos parámetros. Si tomamos como referencia los
valores a 25°C, la corriente de cortocircuito aumenta moderadamente (+ 1,6% a
50°C; + 3,3% a 75°C), mientras que el voltaje a circuito abierto disminuye

29


sensiblemente (- 9,5% a 50°C; - 16,7% a 75°C).
Es por ello que los fabricantes tratan de ofrecer un voltaje de circuito abierto elevado
a 25°C, de manera que el incremento en la temperatura de trabajo no impida el
proceso de carga de las baterías. Cuando la temperatura de trabajo es menor que
25°C, el voltaje de circuito abierto crece, y la corriente de cortocircuito disminuye.
MAXIMA
POTENCIA Para cada condición de trabajo se puede calcular la potencia de salida del panel
DE SALIDA multiplicando los valores correspondientes al voltaje y la corriente para ese punto de
la curva I-V. En particular, la potencia de salida es nula para dos puntos de trabajo:
circuito abierto y cortocircuito, ya que la corriente o el voltaje de salida es nulo. Por
lo tanto, si la salida de un panel es cortocircuitada, éste no sufre daño alguno. Entre
estos dos valores nulos, la potencia de salida alcanza un valor máximo que varía con
la temperatura. El valor máximo que corresponde a una temperatura de trabajo de
25°C se denomina “valor óptimo” o “valor pico” (Wp) del panel. Para determinarlo,
se usan los valores estandarizados: potencia luminosa de 1 Sol; espectro luminoso
correspondiente a M1,5. Los valores de voltaje y corriente asociados con este máximo
(Vp e Ip) son los dados en la hoja de especificaciones para el panel. La Fig. 4.3
muestra, en línea de puntos, la ubicación de los valores de potencia máxima en función
de la temperatura de trabajo. Estos están ubicados al comienzo de la zona de transición
de la curva I-V para la temperatura en consideración. El valor de la potencia de
salida a 0°C es el mayor de todos ellos.
FACTOR
DE Para la mayoría de los paneles FVs, cuando la temperatura de trabajo aumenta, el
DEGRADACION valor de la potencia de salida disminuye. En la práctica, debido a la disipación de
calor dentro de las celdas del panel, salvo en climas muy fríos, la temperatura de
trabajo excede los 25°C. Cuando ello ocurre, la potencia de salida nunca alcanza el
valor pico especificado por el fabricante. El diseño de un sistema FV debe tener en
cuenta esta degradación del panel, a fin de asegurar que los requerimientos eléctricos
del sistema pueden ser satisfechos durante los días más calurosos del verano. Para el
período invernal, si el mínimo para la temperatura promedio es menor a los 25°C, no
se considera ninguna degradación para la potencia de salida pico. La degradación
puede ser calculada usando los valores dados por las curvas I-V a alta temperatura,
pero este proceso es tedioso e impreciso, dada la pobre resolución de las curvas
publicadas por los fabricantes. Por ello es mucho más conveniente usar factores de
EVALUACION degradación dados en forma porcentual con relación a la potencia pico.
DE LA El personal técnico de la revista “HOME POWER” ha llevado a cabo una serie de
POTENCIA evaluaciones, usando paneles con celdas de diferente tipos, a temperaturas de trabajo
DE SALIDA
no inferiores a los 50°C. Los resultados de estas pruebas han sido publicados en tres
de sus números: el 24 (Págs 26-30) y el 33 (Págs 17-20) y el 49 (Págs 28-33). La
última evaluación es la más interesante por dos motivos: fué llevada a cabo despues
de un largo tiempo de uso de los paneles puestos a prueba y la temperatura de trabajo
es la de verano. Ellos evaluaron nueve (9) paneles con tres (3) tipos diferentes de

RESULTADOS celdas: cristalina, policristalina y amorfa.
Los resultados muestran que la mayoría de los paneles, independientemente del tipo
de celda, ofrecen un coeficiente de degradación que oscila entre 0,7 y 0,86%. Sin

30


embargo es interesante destacar que tres paneles no siguen esta regla.
El ARCO Trilaminar Modelo M52L, con celdas cristalinas, exhibe un coeficiente de
degradación de 0,05%, el Siemens M52L, también con celdas cristalinas, de 0,32%,
y el Unisolar UPM880, del tipo amorfo, tiene un coeficiente de degradación negativo
(más salida de poder que la nominal) de -0,066%. La temperatura de trabajo de todos
los paneles osciló entre los 50 y 55°C. La mayoría de los paneles tenían 5 años de
uso, y ninguno menos que un año. La potencia nominal (Vp x Ip) oscila entre los 22
y 105W.
NOTA
Para nuestros cálculos, asumiremos un coeficiente de degradación para la potencia
de salida del 0,6%/°C sobre los 25°C. Si Ud. desconoce el coeficiente de degradación
del panel que ha elegido trate de obtener esa información del fabricante o use el
coeficiente dado anteriormente para calcular su sistema.

La temperatura de trabajo que alcanza un panel FV obedece una relación lineal dada
por la expresión:
Tt = Ta + k R (1)

donde Tt es la temperatura de trabajo del panel, Ta es la máxima temperatura ambiente,
R es el valor de la radiación solar en mW/cm2, y k es un coeficiente que varía entre
0,2 y 0,4 °C.cm2/ mW, dependiendo de la velocidad promedio del viento. Cuando
ésta es muy baja, o inexistente, el enfriamiento del panel es pobre o nulo, y k toma
valores cercanos o iguales al máximo (0,4). Si la velocidad promedia del viento
produce un enfriamiento efectivo del panel, el valor de k será el mínimo (0,2). El
valor de R varía entre 80 y 100mW/cm2. Para locaciones con alto valor de insolación
diaria se usa el valor máximo. Si existen nubes pasajeras que reducen el valor de
irradiación, el valor de R se reduce a 80mW/cm2. El producto kR representa el
incremento de temperatura que sufre el panel sobre la máxima temperatura ambiente.
TEMPERATURA
DE El primer paso en el cálculo de la potencia de salida de un panel FV trabajando a una
TRABAJO temperatura mayor que los 25°C, es determinar los valores de radiación solar y
ambientales para la zona en que éste será usado. Asumiremos, como ejemplo, las
siguientes condiciones: radiación solar: 80 mW/cm2; máxima temperatura de verano:
30°C; baja velocidad promedia del viento durante esa estación: k = 0,3. Reemplazando
estos valores en la expresión (1) tendremos:

Tt = 30 + (0,3 x 80) = 30 + 24 = 54°C

Una vez conocido este valor, se determina el incremento en la temperatura de trabajo
respecto a la de prueba (25°C). En nuestro ejemplo este valor es de 29°C. La expresión
(2) dá el valor de la potencia de salida de un panel trabajando a una temperatura Tt.

Pt = Pp - ( Pp x δ x ∆T) (2)

Donde Pt es la potencia de salida a la temperatura de trabajo (Tt); Pp es la potencia
pico del panel (a 25°C); δ es el coeficiente de degradación (0,6%/°C) y ∆T es el

31


incremento de temperatura por sobre los 25°C.
Asumiendo que Pp=60W, reemplazando los valores dados para cada una de la vari-
ables se tiene:

Pt = 60 - ( 60 x 0,006 x 29) = 60 - 10,44 = 49,56 W

Con un error de +0,08% podemos redondear este valor a 49,6W. Para temperaturas
de trabajo más elevadas, como es común en las zonas desérticas, donde la radiación
es elevada y los vientos son inexistentes durante el verano, la temperatura de trabajo
del panel se elevará, incrementándose la pérdida de la potencia de salida.
PRESENTACION
DE LOS DATOS Para familiarizar al lector con la lectura de las especificaciones técnicas de un panel
TECNICOS FV, usaremos las proporcionadas por la compañías Solarex, Kyocera y Siemens, para
sus modelos MSX-60, LA361K51 y M55, respectivamente. Los tres paneles han sido
elegidos por tener valores similares para la potencia pico de salida. Los datos técnicos
para un panel FV contienen los siguientes tópicos: información genérica, eléctrica y
mecánica.
INFORMACION
GENERICA El tipo de celda, los detalles sobre el ensamblado mecánico, la eficiencia de conversión
y el tipo de garantía dada por el fabricante, forman parte de la información genérica.
PARAMETROS
ELECTRICOS Los valores de potencia, voltaje y corriente pico, así como los valores del voltaje a
circuito abierto y corriente de cortocircuito del panel forman parte de la información
eléctrica. Esta es complementada con notas aclaratorias al pie de página, cuya función
es especificar las condiciones usadas durante la evaluación de un determinado
parámetro. Muchos fabricantes incorporan información sobre las curvas I-V para
diferentes temperaturas de trabajo, así como para distintos niveles de radiación. Si
esta información no le satisface, escribiendo al fabricante o distribuidor del producto
le permitirá obtener más información, o con mayor detalle.
NOTAS
Los valores dados para la potencia pico de salida son, comúnmente, valores típicos.
Esto significa que algunos paneles pueden tener un valor más alto o más bajo que el
especificado. Observe que la compañía Solarex garantiza un valor mínimo para la
potencia pico de sus paneles, mientras que la compañía Siemens garantiza que el
valor medido en fábrica no varía más de +/-10% del especificado como el óptimo.
Algunos fabricantes incluyen un coeficiente de degradación para la potencia de salida,
mientras que otros no lo proporcionan. Si el lector considera que la información
provista no le satisface, contacte al fabricante o al distribuidor como se indicó
anteriormente, o utilice el coeficiente de degradación adoptado en esta publicación.
PARAMETROS
MECANICOS La información mecánica proporciona las dimensiones físicas del panel, las que
incluyen las perforaciones de montaje. Algunos fabricantes complementan esta
información con notas de precaución de manejo.
INFORMACION
TECNICA Las Figuras 4.4 a 4.6 reproducen las hojas de especificaciones eléctricas y mecánicas
para los tres paneles mencionados en este capítulo.

32


Fig. 4.4- Hoja de Especificaciones para el Panel MX-60
(Cortesía de Solarex Corp.)

33



34


Fig 4.5- Hoja de Especificaciones para el Panel LA361J51
(Cortesía de Kyocera Corp.)

35



36


Fig 4.5- Hoja de Especificaciones para el Panel LA361J51
(Cortesía de Kyocera Corp.)

37


Fig. 4.5- Hoja de Especificaciones para el Panel LA361J51


38


M55 Módulo solar fotovoltaico de alta eficiencia

Fig. 4.6- Hoja de Especificaciones para el Panel M-55


39


25,00

VOLTS
20,00
CON LA TEMPERATURA DE TRABAJO
VARIACION DE LAS CURVAS I-V

15,00
10,00
5,00
0,00
AMPS

0,00
4,00

3,00

2,00

1,00

Fig. 4.6- Hoja de Especificaciones para el Panel M-55


40

CAPITULO 5

LA BATERIA DE
PLOMO-ACIDO
INTRODUCCION La importancia de este componente dentro del sistema FV hace necesario el
conocimiento a fondo de las limitaciones intrínsecas del mismo. Sólo así podrá lograrse
la correcta instalación y uso del sistema, prolongando su vida útil y grado de fiabilidad.
Es por ello que decidí incorporar dos capítulos relacionados con el tema. Este capítulo
está dedicado a las baterías de plomo ácido en general; el capítulo subsiguiente
proporciona detalles propios de las baterías usadas en los sistemas FVs.

DOBLE Comenzaremos con una pregunta básica: ¿cuál es el mecanismo que permite la
CONVERSION utilización de una batería como una fuente portátil de energía eléctrica ? La respuesta
DE ENERGIA es: una doble conversión de energía, llevada a cabo mediante el uso de un proceso
electro-químico. La primera conversión, energía eléctrica en energía química, toma
lugar durante el proceso de carga. La segunda, energía química en eléctrica, ocurre
cuando la batería es descargada. Para que estas conversiones puedan llevarse a cabo
se necesitan dos electrodos metálicos inmersos en un medio que los vincule, llamado
electrolito.

POLARIDAD Este conjunto forma una celda de acumulación, cuyo voltaje, en una batería de plomo-
ácido, excede levemente los 2V, dependiendo de su estado de carga. En el proceso
electrolítico cada uno de los electrodos toma una polaridad diferente. La batería tiene
entonces un terminal negativo y otro positivo, los que están claramente identificados
en la caja de plástico con los símbolos correspondientes (- y +).

BATERIA La batería comercial, para poder ofrecer un voltaje de salida práctico, posee varias de
COMERCIAL estas celdas conectadas en serie. La Figura 5.6 muestra muestra la estructura interna
y externa de una batería de Pb-ácido para automotor, donde se observa el coneccionado
serie de las celdas, las que están físicamente separadas por particiones dentro de la
caja que las contiene. Cada celda está compuesta de varias placas positivas y negativas,
las que tienen separadores intermedios. Todas las placas de igual polaridad, dentro de
una celda, están conectadas en paralelo. El uso de varias placas de igual polaridad
permite aumentar la superficie activa de una celda.

PROCESO El voltaje proporcionado por una batería de acumulación es de CC. Para cargarla se
DE necesita un generador de CC, el que deberá ser conectado con la polaridad correcta:
CARGA positivo del generador al positivo de batería y negativo del generador al negativo de
batería. Para poder forzar una corriente de carga el voltaje deberá ser algo superior al
de la batería.

39

CAPITULO 5- LA BATERIA DE PLOMO-ACIDO

La corriente de carga provoca reacciones químicas en los electrodos, las que continúan
mientras el generador sea capaz de mantener esa corriente, o el electrolito sea incapaz
de mantener esas reacciones. El proceso es reversible. Si desconectamos el generador
y conectamos una carga eléctrica a la batería, circulará una corriente a través de ésta,
en dirección opuesta a la de carga, provocando reacciones químicas en los electrodos
que vuelven el sistema a su condición inicial.

CICLO En principio el “ciclo” de carga-descarga puede ser repetido indefinidamente. En la
CARGA- práctica existen limitaciones para el máximo número de ellos, ya que los electrodos
DESCARGA pierden parte del material con cada descarga. La diferencia funcional entre diferentes
tipos de baterías obedece al uso de diferentes electrolitos y electrodos metálicos.
Dentro de un mismo tipo de batería, la diferencia funcional es el resultado del método
de fabricación.

PERDIDAS DE Cuando un tipo de energía es convertido en otro la eficiencia del proceso nunca alcanza
CONVERSION el 100%, ya que siempre existen pérdidas (calor). La doble conversión energética que
toma lugar dentro de una batería obedece esta ley física. Habrá, por lo tanto, pérdidas
de energía durante el proceso de carga y el de descarga.

BATERIA El tipo de acumulador más usado en el presente, dado su bajo costo, es la batería de
Pb-ACIDO plomo y ácido sulfúrico con electrolito líquido. En ella, los dos electrodos están hechos
de plomo y el electrolito es una solución de agua destilada y ácido sulfúrico. En este
libro abreviaremos algo su nombre, llamándola batería Pb-ácido, usando el símbolo
químico para el plomo (Pb). Cuando la batería está cargada, el electrodo positivo
tiene un depósito de dióxido de plomo y el negativo es plomo. Al descargarse, la
reacción química que toma lugar hace que, tanto la placa positiva como la negativa,
tengan un depósito de sulfato de plomo. La Figuras 5.1 y 5.2 ilustran estos dos estados.

Tapón de Tapón de
Ventilación Ventilación
Anodo Cátodo Anodo Cátodo

Nivel del
Alta Electrolito Baja

Densidad Pb Densidad
Dióxido Sulfato Sulfato
de Pb de Pb de Pb

Fig. 5.1- Batería Cargada Fig. 5.2- Batería Descargada

NOTA Como el proceso químico libera gases (hidrógeno y oxígeno) se necesita que el conjunto
tenga ventilación al exterior. El diseño de las tapas de ventilación permite la evacuación
de estos gases, restringiendo al máximo la posibilidad de un derrame del electrolito.

40


DENSIDAD En una batería de Pb-ácido el electrolito interviene en forma activa en el proceso
DEL electroquímico, variando la proporción de ácido en la solución con el estado de carga
ELECTROLITO del acumulador. Cuando la batería está descargada, la cantidad de ácido en la solución
disminuye. Si la batería está cargada, la cantidad de ácido en la solución aumenta.
Este mecanismo tiene una derivación práctica: monitoreando la concentración del
ácido se puede determinar el estado de carga de la batería. Este monitoreo se hace
usando un densímetro, como veremos en detalle al hablar del mantenimiento de los
sistemas FVs (Capítulo 13).

WATT.HORA Tres características definen una batería de acumulación: la cantidad de energía que
AMP.HORA puede almacenar, la máxima corriente que puede entregar (descarga) y la profundidad
PROFUNDIDAD de descarga que puede sostener. La cantidad de energía que puede ser acumulada por
DE DESCARGA una batería está dada por el número de watt.horas (Wh) de la misma. La capacidad
(C) de una batería de sostener un régimen de descarga está dada por el número de
amperes.horas (Ah).

VALOR EN Wh Para una dada batería, el número de Wh puede calcularse multiplicando el valor del
voltaje nominal por el número de Ah, es decir:

Wh = Voltaje nominal x Ah

VALOR EN Ah El número de Ah de una batería es un valor que se deriva de un régimen de descarga
DE UNA especificado por el fabricante. Para un tipo especial de baterías, llamadas solares
BATERIA (capítulo 6), el procedimiento de prueba ha sido estandarizado por la industria. Una
batería, inicialmente cargada al 100%, es descargada, a corriente constante, hasta que
la energía en la misma se reduce al 20% de su valor inicial. El valor de esa corriente de
descarga, multiplicado por la duración de la prueba (20 horas es un valor típico), es el
valor en Ah de esa batería. Un ejemplo práctico servirá para reforzar este concepto. Si
una batería solar tiene una capacidad (C) de 200 Ah para un tiempo de descarga de
20hrs, el valor de la corriente durante la prueba es de 10A.

VALOR EN Ah: Existe la tentación de extender este concepto para corrientes de descarga en exceso
SIGNIFICADO del máximo determinado por el método de prueba (10A en nuestro ejemplo). La batería
de nuestro ejemplo no puede entregar 200A durante una hora. El proceso
electroquímico no puede ser acelerado sin que la batería incremente su resistencia
interna en forma substancial (Apéndice I). Este incremento disminuye el voltaje de
salida, autolimitando la capacidad de sostener corrientes elevadas en la carga. Si la
corriente de descarga es menor que la especificada, digamos 5A, la relación Ah es
válida. La batería de 200Ah de nuestro ejemplo puede sostener este valor de corriente
por 40 horas.

CORRIENTE Los fabricantes de baterías expresan el valor de la corriente de carga (o descarga)
COMO VALOR como un valor fractional de su capacidad en Ah. En nuestro ejemplo, C/20 representa
FRACCIONAL 10A y C/40 representa un valor de 5A. Esta forma de dar el valor de la corriente de
descarga (o carga) parece arbitraria, pero no lo es si recordamos que la capacidad en
Ah de una batería, por definición, requiere un número específico de horas de descarga.

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Si la batería solar de nuestro ejemplo tiene un voltaje nominal de 6V, la cantidad de
energía que puede ser acumulada es de:

6V x 200 Ah = 1.200 Wh (1,2 KWh)

PROFUNDIDAD La profundidad de descarga (PD) representa la cantidad de energía que puede extraerse
DE de una batería. Este valor está dado en forma porcentual. Si la batería del ejemplo
DESCARGA entrega 600 Wh, la PD es del 50%. Cuando se efectúa la prueba para determinar la
capacidad en Ah de una batería solar la PD alcanza el 80%.

VOLTAJE El voltaje de salida de una batería de Pb-ácido no permanece constante durante la
DE carga o descarga. Dos variables determinan su valor: el estado de carga y la temperatura
SALIDA del electrolito. Las curvas de la Figuras 5.3 y 5.4 muestran estas variaciones de voltaje,
tanto para el proceso de carga como para el de descarga. Los valores están dados
usando diferentes valores de corriente, para dos temperaturas de trabajo: 25°C y 1°C,
respectivamente. Las curvas a 25°C reflejan el comportamiento de una batería
trabajando en un ambiente con temperatura benigna. Las curvas a 1°C reflejan el
comportamiento de la misma batería cuando la temperatura del electrolito es cercana
al punto de congelación del agua. Los valores dados por las curvas corresponden a
una batería de 12V nominales. Si la batería es de 6V, estos valores deberán ser divididos
por dos. Si el banco de baterías tiene un valor que es un múltiplo de 12V, los valores
leídos deberán multiplicarse por el valor del múltiplo. Para comprender el efecto que
tiene la temperatura en el comportamiento de la batería es útil recordar que cualquier
reacción química es acelerada cuando la temperatura se incrementa y es retardada
cuando ésta disminuye.

CURVAS Las curvas de descarga muestran que a baja temperatura la caída de voltaje es mucho
DE más severa que la que se observa, para la misma corriente, a 25°C. La baja temperatura
DESCARGA retarda la reacción química, lo que se traduce en un brusco aumento de la resistencia
interna (Apéndice I) de la batería, lo que provoca una mayor caída del voltaje. Estas
curvas confirman la experiencia que el lector tiene con baterías para automotor durante
el invierno. Se observa, asimismo, que si se mantiene constante la temperatura del
electrolito, la caída de voltaje es siempre mayor (aumento de la resistencia interna)
cuando la corriente de descarga aumenta. Este es el mecanismo autolimitante al que
nos referimos con anterioridad.

CURVAS Para la carga, se observa que el voltaje correspondiente a un dado estado y corriente
DE de carga, es siempre menor cuando la temperatura disminuye. Es conveniente cargar
CARGA una batería con un nivel de corriente que no exceda el máximo dado por el fabricante
(C/20 ó 10A en nuestro ejemplo). El tiempo de carga, multiplicado por la corriente de
carga debe ser un 15% mayor al número de Ah de la batería, para compensar por las
pérdidas durante el proceso de carga.

42


VARIACION EN EL VOLTAJE
DE UNA BATERIA DE Pb-ACIDO DE 12V
Temperatura del Electrolito: 25°C
VOLTAJE DE BATERIA (V)

ESTADO DE CARGA (%)

Fig. 5.3- Variaciones de Voltaje en una Batería Pb-ácido
(Cortesía de la Revista HOME POWER)

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VARIACION EN EL VOLTAJE
DE UNA BATERIA DE Pb-ACIDO DE 12V
Temperatura del Electrolito: 1°C
VOLTAJE DE BATERIA (V)

ESTADO DE CARGA (%)

Fig. 5.4- Variaciones de Voltaje en una Batería Pb-ácido
(Cortesía de la Revista HOME POWER)

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EVALUACION El valor del voltaje a circuito abierto para una batería no representa una buena indicación
DEL del estado de carga o la vida útil de la misma. Para que esta medición tenga alguna
ESTADO DE significación, la lectura debe ser precedida por la carga de la misma, seguida de un
CARGA período de inactividad de varias horas. El voltímetro a usarse deberá ser capaz de leer
dos decimales con precisión. La medición de la densidad del electrolito constituye una
evaluación más fiable, pues se mide un grupo de celdas por separado. Diferencias
substanciales en el valor de la densidad entre un grupo de celdas y los restantes dá una
indicación clara del envejecimiento de la misma (Capítulo 13). Un voltaje que es
importante es el de “final de descarga” para la batería. Este valor está dado por el
fabricante, pero es siempre cercano a los 10,5V, para una batería de Pb-ácido de 12V
nominales, trabajando a una temperatura cercana a los 25°C.

CONGELACION Un problema que suele presentarse cuando la temperatura del electrolito alcanza los
DEL 0°C está relacionado con el estado de carga de la batería. Si ésta está prácticamente
ELECTROLITO descargada, la cantidad de agua en la solución electrolítica es mayor, como indicamos
anteriormente. Al bajar la temperatura del electrolito existe la posibilidad de que el
agua se congele. Si esto ocurre, su volumen aumenta. La fuerza de esta expansión
distorsiona los electrodos, pudiendo dañar las celdas o quebrar la caja. El ácido del
electrolito actúa como anticongelante, de manera que es extremadamente importante
mantener la carga de las baterías cuando la temperatura de trabajo disminuye. Una
batería solar del tipo Pb-ácido, totalmente descargada, se congela alrededor de los
-10°C. Si está totalmente cargada, el punto de congelación se alcanza alrededor de los
-58°C (Tabla 5.7, pág. 47).

TEMPERATURA Si las bajas temperaturas causan tantos problemas, algún lector puede concluír que las
ELEVADA temperaturas ambientes elevadas son las ideales. La conclusión es errónea, pues la
mayor actividad química se traduce en una reducción en la vida útil de una batería de
Pb-ácido, como lo muestra la tabla dada a continuación.

TEMPERATURA REDUCCION
DEL ELECTROL. DE LA VIDA UTIL
°C %
25 0
30 30
35 50
40 65
45 77
50 87
55 95
GASIFICACION Cuando una batería de plomo-ácido está próxima a alcanzar el 100% de su carga, la
cantidad de agua en el electrolito ha sido severamente reducida. Los iones que ésta
provee se hacen más escasos, disminuyendo la posibilidad para el ión de hidrógeno
(electrodo negativo) y para el ión de oxígeno (electrodo positivo) de reaccionar
químicamente, formando plomo y dióxido de plomo, respectivamente. Si la corriente
de carga continúa al mismo nivel, el exceso de gases escapa del electrolito produciendo
un intenso burbujeo, el que se conoce como “gasificación”.

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